CC BY
31
-►
МАШИНОСТРОЕНИЕ
УДК 621.9.048.7
М.И. Абашын, А.А. Барзов, А.Л. Галиновский, В.А. Шутеев
УЛЬТРАСТРУЙНАЯ ЭКСПРЕСС-Д И АГНОСТИКА МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ МАШИНОСТРОЕНИЯ
При ударно-динамическом взаимодействии сверхскоростной (Ус > 500 м/с) ультраструи жидкости (воды) с твердотельной мишенью происходит ее интенсивная поверхностная гидроэрозия. Это энергетически многоплановое явление лежит в основе группы традиционных операционных ультраструйных технологий: гидрорезания различных материалов и гидроочистки поверхностей изделий от трудноудаляемых загрязнений. Однако, как показали выполненные исследования, явление ультраструйной гидроэрозии при плотности мощности гидроструи примерно 1 МВт/мм можно использовать для технологически значимой активации и эффективного обеззараживания различных жидкостей, в первую очередь воды [1], получения ультрамелкодисперсных функциональных суспензий с набором уникальных биологических и других потребительских свойств [2], а также улыраструйной микродиагностики материалов и изделий.
Помимо самостоятельного значения процесса улыраструйной гидроэрозии, по его результатам, таким как ее интенсивность, форма и микротопография образующейся гидрокаверны, по масс-геометрическимхарактеристикам продуктов эрозионного разрушения материала, а также косвенным признакам, например высокоэнергетическим сигналам акустической, экзоэлект-ронной и электромагнитной эмиссии, можно судить о физико-механических параметрах, характеризующих состояние поверхностного слоя объекта диагностирования. Основные из этих параметров: пластичность, прочность, твердость, уровень остаточных напряжений, структурно-
фазовый состав и другие характеристики. Как известно, эти параметры ответственны за эксплуатационно-технологические свойства всего изделия, в частности за его остаточный ресурс, износостойкость, текущую поврежденность, в том числе в результате энергетически экстремальных, нерасчетных воздействий (пожар, радиация) ит. п.
Именно данное обстоятельство служит физико-технологической основой для разработки и практического применения нового способа ультраструйной экспресс-диагностики (УСД) и контроля параметров состояния поверхностного слоя деталей и изделий в различных отраслях экономики: машиностроении, топливно-энергетическом комплексе, атомной энергетике, строительной индустрии и т. д.
Таким образом, под УСД будем понимать операционную улыраструйную технологию (УСТ), состоящую в воздействии на определенные участки поверхности конструкции или детали ультраструей жидкости (воды) или гидросуспензии с целью получения необходимой контрольно-диагностической информации об основных показателях качества изделия.
Процедура и особенности ультраструйной диагностики
Технологически процедура ультраструйного диагностирования состоит в реализации следующих основных этапов:
1. На исследуемый объект оказывается краткосрочное ультраструйное контролыю-диагно-стическое воздействие, вызывающее гидроэро-
зию его поверхностного слоя. Воздействие осуществляется при определенных режимах: заданном рабочем давлении жидкостей или абразивно-жидкостной струи, например водоледяной суспензии; ее диаметре; требуемом угле падения, рациональной кинематике движения по диагностируемой поверхности (индентирование или скрайбирование) и т. д.
2. Затем определяются параметры ультраструйной гидроэрозии — характеристики гидрокаверны (макро- и микротопография ее поверхности и прилегающей области, геометрические параметры, а также эрозионный унос массы у некрупногабаритных деталей или образцов; масс-геометрические параметры частиц, эродированных с поверхности объекта диагностирования (их количество, размеры, законы распределения и т. д.).
3. Весьма желательно включить в программу оценки результатов диагностирования комплексный металлографический анализ и средства
электронно-растровой микроскопии. Полученные результаты сравниваются с эталонными характеристиками и/или между собой на различных участках диагностируемой поверхности объекта исследования, и на основании этого судят о параметрах качества контролируемого участка поверхности, например об остаточном ресурсе конструкционного материала, его эксплуатационно-технологической поврежденное™, а также делают заключение о текущем и прогнозном состоянии объекта в целом. При этом весьма результативно использование соответствующего программно-математического обеспечения фотомикроскопических исследований, что резко повышает эффективность обработки визуально наблюдаемой картины гидроэрозии и ее продуктов, включая компьютерную оцифровку цветных изображений эродированных микрочастиц.
В качестве иллюстрации возможностей УСД на рис.1 представлены результаты индентирова-ния поверхности образцов, подвергнутых (обра-
а)
Рис. 1. Ультраструйная диагностика индентированием поверхности: а — образцы для УСД (верхний — исходный образец, нижний — подвергнутый одноосному растяжению); б — овальная гидрокаверна на образце, подвергнутом одноосному растяжению; в — круглая гидрокаверна на исходном образце
зец № 72, рис. 1, о) и не подвергнутых (образец № 79, рис. 1, а) одноосному растяжению. Анализируя полученные для данных образцов (соответственно рис. 1, б и рис. 1, в) результаты, в частности формы гидрокаверн, можно вполне достоверно определить характер деформационного старения материала.
Условно все особенности УСД как технического средства получения необходимой информации об изучаемом объекте разделим на две основные группы, связанные с физико-технологической и информационно-диагностической спецификой данного способа исследования свойств поверхностного слоя твердых тел.
Физико-технологическая специфика УСД сводится к следующим основным положениям:
1. Энергетически экстремальная неравновесность ударно-динамических процессов в зоне взаимодействия ультраструи жидкости с поверхностью твердого тела (мишени) обусловливает доминирующий характер усталостно-волнового механизма ее ультраструйной гидроэрозии. При этом нужно учитывать, что при высокой плотности мощности ультраструи («1 МВт/мм ) возникающее сверхинтенсивное акустическое излучение (до 10 МГц) и сопутствующие явления электромагнитной природы существенным образом способны изменить исходные физико-механические параметры поверхностного слоя материала мишени.
2. В соответствии с вышеизложенным при осуществлении процедуры УСД для большинства объектов контроля соблюдается принцип подобия между диагностическими и эксплуатационными воздействиями, так как применительно к значительному числу реально наблюдаемых вариантов термо-силового нагружения конструкционных материалов можно отметить, что подавляющее большинство изделий машиностроения эксплуатируется в условиях нестационарных механических воздействий при относительно невысоких температурах. Поэтому сверхинтенсивное динамическое и умеренное термическое (не больше 70°) воздействия на конструкционный материал в процессе УСД критериально наиболее близки к реальным условиям эксплуатации целого ряда типовых промышленных объектов в топливно-энергетическом комплексе, атомной энергетике, на транспорте и т. п. Это подчеркивает физико-технологическую значимость УСД как перспективного средства
получения оперативной и достоверной информации о параметрах состояния объекта диагностирования, межотраслевую результативность ее применения и возможность эффективного использования на основных этапах жизненного цикла изделий.
3. УСД органически сочетается с выполнением других операционных УСТ, в частности с гидрорезкой материалов. Данное обстоятельство существенным образом положительно влияет на инновационно-технологический потенциал УСД, расширяет функциональные возможности УСТ в целом.
Информационно-диагностические особенности УСД заключаются в следующем:
УСД оперирует с весьма значительным и представительным массивом физически взаимосвязанных информативных признаков и критериев, что в вероятностном смысле весьма положительно влияет на результативность и достоверность ультраструйного экспресс-контроля параметров качества поверхностного слоя деталей или изделий и, как следствие, на эффективность диагностики в целом;
информативные параметры УСД можно разделить на прямые и косвенные. К прямым, или квазистатическим, признакам относятся масс-геометрические характеристики эродированных частиц твердотельной мишени, микро- и макрогеометрия гидрокаверны и прилегающей к ней зоны пластического оттеснения материала, параметры его физико-механического состояния ит. д. Все эти признаки условно можно назвать контрольно-диагностической остаточной информацией, так как они являются материализованным результатом ультраструйного гидроэрозионного воздействия на твердое тело и относительно стабильны во времени после возникновения.
Информативные параметры ультраструйной диагностики
Косвенные, или динамические, информативные признаки обусловлены неравновесной спецификой энергетически экстремального взаимодействия ультраструи жидкости (воды) с твердотельной мишенью. К ним относятся, помимо традиционных термо-силовых параметров данного взаимодействия, совокупность волн упругой деформации — сверхинтенсивное широкополосное акустическое возмущение зоны диагностирования: акустическое излучение (АИ)
или акустическая эмиссия (АЭ), широкополосное, вплоть до рентгеновского [3], электромагнитное излучение (ЭМИ) и экзоэмиссия весьма энергоемких электронов (ЭЭЭ). Данные динамические информационные параметры УСД существенно расширяют ее контрольно-диагностические и исследовательские возможности. Кроме того, их можно весьма эффективно использовать при построении соответствующих диагностических методик оперативного, в режиме реального времени, контроля заходом выполнения других операционных процессов УСТ. Так, в случае гидроабразивного резания различных материалов параметры АЭ эффективны при оценке состояния элементов технологического оборудования, например текущем контроле из-
носа струеформирующих элементов — гидросопла и абразивно-жидкостного насадка.
Не подлежит сомнению, что между прямыми и косвенными информативными параметрами УСД существует энергетически обусловленная взаимосвязь, которая в свою очередь является следствием физико-технологической специфики данного микро- и наноразрушающего метода получения научно-исследовательской (фундаментальной) и прикладной (технологической) информации о свойствах твердого тела и динамически взаимодействующей с ним жидкости (воды). В этом положении заключается принцип информационно-технологического дуализма процессов ультраструйной гидроэрозии, в общем виде схематично представленный на рис. 2.
Рис. 2. Иллюстрация принципа информационно-технологического дуализма процессов ультраструйной гидроэрозии
Важнейший элемент данной схемы, иллюстрирующий широкие функциональные возможности УСТ в целом, — способность к изменению свойств самой жидкости (воды), которая в виде ультраструи подвергается энергетически экстремальному ударно-динамическому воздействию со стороны твердотельной мишени. Причем в месте удара ультраструи сам материал мишени находится в условиях воздействия сверхвысокого уровня подводной энергии и ее волновых превращений. Образующиеся при этом взаимодействии совокупность взаимно-обусловленных прямых и обратных связей между физическими, энергетическими, химическими и др. параметрами жидкости и твердого тела сопровождается изменениями их свойств в результате интенсивного диспергирования (разрушения), т. е. гидроэрозии (твердое тело) и спрееобразования (жидкость). В связи с этим изменение свойств жидкости в процессе ультраструйного ударно-динамического взаимодействия с твердотельной мишенью можно считать специфическим диагностическим признаком данного метода исследования свойств не только различных материалов и мелкодисперсных суспензий на их основе, но и применяемых при этом жидкостей, в первую очередь — воды и ее производных. Причем сам процесс струйно-ударного спрееобразования жидкостей несет важную информацию об исследуемой гидротехнологической среде.
Таким образом, помимо самостоятельного значения [4], улыраструйная обработка жидкостей (воды) имеет весьма характерную информационно-диагностическую составляющую, требующую подробного изучения и анализа в будущем.
Энерго-физические процессы при ультраструйном диагностировании
Как было отмечено, вхождение в число информативных признаков УСД взаимосвязанной совокупности эмиссионно-волновых процессов, в частности высокочастотного электродинамического потенциаладиагностируемой поверхности, обусловленного явлениями АЭ и ЭЭЭ, позволяет обеспечить повышение оперативности процедуры контроля и диагностирования различных материалов и изделий в целом.
Мощное АИ или АЭ при УСД имеет две составляющие: активную (А) и информативную (И). Первая способна существенным образом
влиять на изменение поврежденности объекта исследования или контроль путем реализации механизма малоциклового роста исходных дефектов (микротрещины), инициировать их образование и т. п. (рис. 3). При этом возникает информативная составляющая АЭ, обусловленная кинетикой изменения (увеличение, рост) повреж-денности. Кроме того, исходная информативная составляющая АИ или АЭ — ихаппаратурно-ре-гистрируемая часть — позволяет оперативно судить о динамическом, ударно-волновом характере взаимодействия улыраструи жидкости с поверхностным слоем исследуемого твердого тела. Причем практически значимые соотношения между А и И частями слагаемых общей энергии АИ (АЭ) условно можно представить в виде
АИобш =*аАИа +*иАИи ^
^ Аюд + кц АЭИ, (1)
где АИобщ — общая величина энергии волн упругих деформаций (АИ или АЭ); кА и Аи — коэффициенты пропорциональности, причем кА -1, ки , £и«1; ДюА - контрольно-диагностическое изменение поврежденности поверхности твердого тела (мишени) в месте образования каверны, связанное с возникновением новых поверхностей (субмикро- и микротрещины, скопления дислокаций и т. п.).
Очевидно, что ки «^и (согласно физической сущности рассматриваемой задачи). Поэтому регистрация АЭИ на фоне АИи практически нереализуема. Однако путем анализа АИ и возможна вполне достоверная и оперативная оценка Аюа , что весьма важно в данном методе диагностирования и контроля качества параметров состояния поверхностного слоя детали или изделия.
Помимо рассмотренного варианта трансформации (1), возможны и другие физико-энергетические схемы. Например, вполне реально существование механизма трансформации АИ в ЭМИ (прямой акустоэлектрический эффект), АЭ, Аю в ЭЭЭ (механоэммиссия быстрых электронов) и т. п. Однако общей чертой этих процессов и явлений будет энергетическая пропорциональность между латентными (скрытыми) и регистрируемыми контрольно-диагностическими признаками, ответственными за текущее и прогнозное состояние поверхностного слоя конкретного объекта исследования.
Рис. 3. Формирование взаимообусловленной системы прямых и обратных энерго-физических связей в зоне ультраструйного диагностирования:
/— ультраструя жидкости (воды); 2— твердотельная мишень или заготовка; 3— промежуточный, "граничный" слой вещества твердого тела на условной границе раздела фаз; 4— совокупность информационных признаков эродированных частиц материала мишени; 5— информативные параметры жидкости (воды) в спрееобразном состоянии; 6 — механо-физические изменения свойств твердого тела в условиях ударно-волнового возмущения; 7— физико-химических механизм изменения свойств жидкости (воды) при ударно-динамическом, в частности ультразвуковом, электронном, электромагнитном и других видах воздействия; 8— иллюстрация взаимосвязи эмиссионно-волновых признаков ультраструйной гидроэрозии; 9— зона ультраструйной кавитации; 10 — зона гидроэрозионного предразрушения; / / — валик пластического оттеснения материала мишени из зоны ультраструйной гидроэрозии; 12 — диагностируемая поверхность твердотельной мишени
Выполненные исследования по анализу инновационно-технологического потенциала УСД позволяют сформулировать основные научно-инженерные принципы контроля и диагностирования, а также сделать следующие выводы:
1. При ультраструйном диагностировании достаточно полно реализуется принцип подобия между эксплуатационно-технологическим и контрольно-диагностическим взаимодействиями, что обеспечивает высокую информативность исследований параметров состояния поверхностного слоя материалов и изделий.
2. Ультраструйное диагностирование характеризуется информационно-технологическим дуализмом процессов гидроэрозии, которая слу-
жит также физической основой ряда обрабатывающих ультраструйных технологий: резки и очистки материалов и конструкций. В связи с этим УСД информационно-эффективно дополняет данные операционные гидротехнологии.
3. В информационном отношении ультраструйное воздействие на материал существенно превосходит другие виды технологических контрольно-диагностических воздействий (лазерный луч, фрикционные испытания и т. д.).
4. УСД характеризуется целым рядом физически взаимосвязанных косвенных и прямых информативно-диагностических параметров, признаков и критериев, анализ которых позволяет осуществлять достоверную экспресс-оцен-
ку основных эксплуатационно-технологических характеристик и параметров состояния материала поверхностного слоя объекта исследования и контроля.
5. Ультраструйная диагностика обладает значительным потенциалом инженерно-физического развития и практического приложения в различных областях производства и промышленности.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Барзов, A.A. Струйная интенсификация функциональной активности жидкостей [TckctJ / A.A. Барзов, А.Ф. Королев, B.C. Пузаков, К.Е. Си-дельников, H.H. Сысоев / Физический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова.— Физическая гидродинамика. 2004.— Препринт № 7.
2. Балашов, O.E. Физико-технологический анализ функциональных возможностей ультраструйного микросуспензирования жидкостей |Текст| / O.E. Балашов, A.A. Барзов, A.J1. Галиновский, H.H. Сысоев / Физический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова.— 2010.— Препринт № 4.— 28 с.
3. Корнилова, A.A. Ударно-кавитационный механизм генерации рентгеновского излучения при кавитации быстрой струи воды [TckctJ / A.A. Корнилова, В.И. Высоцкий, H.H. Сысоев [и flp.J // Вестник МГУ. 2010,- М.: Изд-во МГУ им. М.В. Ломоносова. — С. 14—25.
4. Барзов, A.A. Физико-технологические возможности ультраструйной обработки материалов и жидкостей |TeKCTj / A.A. Барзов, B.C. Пузаков, С.К. Сальников, H.H. Сысоев / Физический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова.— Физическая гидродинамика.— 2004.— Препринт. № 6.— 25 с.
УДК629.1.032.001
Р.В. Русинов, Р.Ю. Добрецов, И.М. Герасимов
ОБ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕПЛОВОГО ЦИКЛА «АДИАБАТНОГО» ПОРШНЕВОГО ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
Принципиальной особенностью поршневых двигателей внутреннего сгорания (ДВС) является цикличность их рабочего процесса, позволяющая нормализовать функционирование системы охлаждения ДВС и гарантировать возможность работы самих двигателей при высоких параметрах (давление — температура) рабочего тела и, следовательно, с высоким КПД, в частности у дизелей — до 40-50 %.
Естественное стремление к дальнейшему повышению эффективности работы ДВС привело к мысли о создании «адиабатного» двигателя с теплоизолированными камерами сгорания, ограничивающими теплопотери на охлаждение, которые вообще-то составляют до 30—35 % от теплоты, вводимой в камеру сгорания с топливом. Однако стендовые испытания подобных двигателей к положительным результатам не привели.
Тем не менее, учитывая особую сложность натурных испытаний и не во всех случаях возможность объективной оценки получаемых при испытаниях результатов, представляется акту-
альным проведение расчетно-теоретического анализа основных параметров «адиабатных» двигателей для окончательного решения кардинального вопроса их перспективности.
С этой целью прежде всего надлежало сформировать математическую модель некоего подобия рабочего, или действительного, теплового цикла (индикаторная диаграмма), позволяющего в дальнейшем оценивать возможные показатели работы двигателей при ограничении потерь на охлаждение.
В основу подобного формирования были положены в качестве исходных данные для нефорсированного (без наддува) четырехтактного транспортного дизеля ЯМЭ-238 (8413/14) с неразделенными камерами сгорания, чья эффективная мощность — Ы„ = 176,5 кВт (240 л.с.) при 1 1 числе оборотов коленчатого вала я = 2100 мин ,
степень сжатия — е = 16,5, удельный эффективный расход топлива— §е = 238 г/кВт-ч, эффективный КПД — и = 0,36, среднее эффективное давление рабочего (теплового) цикла —
